НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

імені ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

Приладобудівний факультет

Кафедра автоматизації та систем неруйнівного контролю

До захисту допущено:

В. о. завідувача кафедри АСНК

________ Галина БОГДАН

«___»_____________2025р.

Дипломна робота

на здобуття ступеня бакалавра

за освітньо-професійною програмою «Комп'ютерно-інтегровані системи та

технології в приладобудуванні»

спеціальності 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології»

на тему: «Автоматизований портативний комплекс виявлення та аналізу

радіосигналів»

Виконав:

студент IV курсу, групи ПМ-11

Погорєлов Богдан Юрійович __________

Керівник:

асистент, д.ф.

Повшенко Олександр Анатолійович______________________ __________

Рецензент:

професор каф. ІВТ, д.т.н., доцент,

Шевченко Костянтин Леонідович________________________ __________

Засвідчую, що у цій дипломній роботі немає

запозичень з праць інших авторів без

відповідних посилань.

Студент _____________

Київ – 2025 року

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Приладобудівний факультет

Кафедра автоматизації та систем неруйнівного контролю

Рівень вищої освіти – перший (бакалаврський)

Спеціальність – 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології»

Освітньо-професійна програма «Комп'ютерно-інтегровані системи та технології в

приладобудуванні»

ЗАТВЕРДЖУЮ

В. о. завідувача кафедри АСНК

_______ Галина БОГДАН

«___»_____________2025 р.

ЗАВДАННЯ

на дипломну роботу студенту

Погорєлов Богдан Юрійович

1. Тема роботи «Автоматизований портативний комплекс виявлення та аналізу

радіосигналів», керівник роботи Повшенко Олександр Анатолійович д.ф.,

затверджені наказом по університету від 26.05.2025 р. №1765.

2. Термін подання студентом роботи 04.06.2025

3. Вихідні дані до роботи: частотний діапазон сприйняття сигналів 47 МГц – 6ГГц,

час автономної роботи 4 годин, джерело живлення літій-іонний акумулятор 2S 2P

8.4В, контролер RPi CM5, радіоприймач BladeRF, вага ≤ 1.5 кг, габарити:

268х193х36 мм.

4. Зміст роботи: Вступ. Розділ 1. Аналітичний огляд існуючих портативних

комплексів виявлення та аналізу радіосигналів. Розділ 2. Розробка автоматизованого

портативного комплексу аналізу радіосигналів. Розділ 3. Методологія роботи.

Розділ 4. Експериментальне випробування. Висновки.

5. Перелік ілюстративного матеріалу: презентація, 2 плакати, 5 креслиників.

6. Дата видачі завдання 16.04.2025

Календарний план

№

з/п

Назва етапів виконання

дипломної роботи

Термін виконання

етапів роботи

Примітка

1 Формулювання завдання

дипломної роботи

20.04.2025-29.04.2025 виконано

2 Проведення аналітичного огляду

за темою дипломної роботи

30.04.2025-06.05.2025 виконано

3 Розробка структурної схеми 07.05.2025-13.05.2025 виконано

4 Підбір компонентів 14.05.2025-17.05.2025 виконано

5 Розробка креслеників 18.05.2025-25.05.2025 виконано

6 Формування загальних висновків 26.05.2025-29.05.2025 виконано

7 Оформлення тексту

пояснювальної записки

30.05.2025-03.06.2025 виконано

Студент Богдан ПОГОРЄЛОВ

Керівник Олександр ПОВШЕНКО

АНОТАЦІЯ

Дипломна робота на тему «Автоматизований портативний комплекс для

виявлення та аналізу радіосигналів на основі SDR-технологій» присвячена розробці

автономного пристрою для роботи в умовах обмеженого доступу до традиційної

інфраструктури. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю застосування

мобільних і гнучких рішень у сфері військових операцій, рятувальних місій та

польових досліджень.

Основною метою роботи стало створення архітектури та програмно-апаратної

реалізації компактного комплексу на базі технологій програмно-визначуваного радіо

(SDR). У рамках дослідження було проведено порівняльний аналіз сучасних SDR-

пристроїв, зокрема HackRF One, Malahit DSP2, Amator SDR та інших, що дозволило

обґрунтовано обрати оптимальну конфігурацію для побудови системи.

Запропоновано структурну схему пристрою, до складу якого увійшли

обчислювальний модуль Raspberry Pi CM5, радіомодуль BladeRF, GPS-приймач,

SSD-накопичувач, сенсорний дисплей та акумулятор Li-Pol. В роботі описано

особливості інтеграції компонентів, організацію енергоживлення, відведення тепла

та реалізацію інтерфейсів. Система побудована за модульною відкритою

архітектурою, що забезпечує її масштабованість, адаптивність і простоту оновлення.

Розроблений комплекс має практичне значення як основа для створення

прототипів автономних пристроїв, здатних здійснювати радіомоніторинг і

спектральний аналіз у складних експлуатаційних умовах.

Ключові слова: SDR, програмно-визначуване радіо, Raspberry Pi, портативний

пристрій, GPS, спектральний аналіз, автономність, польові умови, відкриті апаратні

рішення.

ANNOTATION

The thesis on “Automated portable complex for detecting and analyzing radio signals

based on SDR technologies” is devoted to the development of an autonomous device for

operation in conditions of limited access to traditional infrastructure. The relevance of the

research is driven by the need for mobile and flexible solutions in military operations,

rescue missions, and field research.

The main goal of the work was to create an architecture and software and hardware

implementation of a compact complex based on software-defined radio (SDR)

technologies. As part of the study, a comparative analysis of modern SDR devices was

conducted, including HackRF One, Malahit DSP2, Amator SDR, and others, which

allowed us to reasonably choose the optimal configuration for building the system.

A block diagram of the device is proposed, which includes a Raspberry Pi CM5

computing module, a BladeRF radio module, a GPS receiver, an SSD drive, a touchscreen

display, and a Li-Pol battery. The paper describes the peculiarities of component

integration, power supply, heat dissipation, and interface implementation. The system is

built on a modular open architecture, which ensures its scalability, adaptability, and ease

of updating.

The developed complex is of practical importance as a basis for creating prototypes

of autonomous devices capable of radio monitoring and spectral analysis in difficult

operating conditions.

Keywords: SDR, software-defined radio, Raspberry Pi, portable device, GPS, spectral

analysis, autonomy, field conditions, open hardware solutions.

6
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СКОРОЧЕНЬ ТА ТЕРМІНІВ....................8
ВСТУП........................................................................................................................11
РОЗДІЛ   1.  АНАЛІТИЧНИЙ   ОГЛЯД   ІСНУЮЧИХ   ПОРТАТИВНИХ 
КОМПЛЕКСІВ ВИЯВЛЕННЯ ТА АНАЛІЗУ РАДІОСИГНАЛІВ.......................13
1 Технологія програмно-визначеного радіо..................................................13
1.1 Портативний комплекс Hack RF One Portapack H4.............................14
1.2 Портативний комплекс Libre SDR PLUTO..........................................15
1.3 Портативний комплекс 1.10D DSP SDR...............................................15
1.4 Портативний комплекс Amator SDR.....................................................16
1.5 Портативний комплекс Malahit DSP2 2.40...........................................17
2 Висновок по розділу 1..................................................................................18
РОЗДІЛ   2.   РОЗРОБКА   АВТОМАТИЗОВАНОГО   ПОРТАТИВНОГО 
КОМПЛЕКСУ АНАЛІЗУ РАДІОСИГНАЛІВ........................................................19
1 Розробка структурної схеми........................................................................19
2 Підбір елементної бази.................................................................................21
2.1 Антени......................................................................................................21
2.2 Радіо модуль............................................................................................24
2.3 Обчислювальний модуль.......................................................................28
2.4 GPS модуль..............................................................................................31
2.5 Пам’ять постійного зберігання..............................................................33
2.6 Сенсорний дисплей.................................................................................34
2.7 Модуль живлення...................................................................................37
2.8 Материнська плата.................................................................................40
3 Розробка електричної принципової схеми.................................................41
3.1 Процесорний модуль та його інтерфейси:...........................................42

7
2.3.2 Організація кола живлення....................................................................43
2.3.3 Реалізація інтерфейсів та роз’ємів........................................................45
2.3.4 Загальна компоновка та 3D вигляд друкованої плати........................50
2.4 Розробка корпусу..........................................................................................50
2.5 Висновок по розділу 2..................................................................................51
РОЗДІЛ    3.     МЕТОДОЛОГІЯ РОБОТИ..............................................................53
3.1 Загальні принципи роботи SDR...................................................................53
3.2 Приймання та обробка радіосигналів за допомогою технології SDR.....56
3.3 Висновок по розділу 3..................................................................................60
4.1 Прийом аналогового радіосигналу за допомогою портативної рації та 
SDR-приймача........................................................................................................61
4.2 Прийом супутникових зображень...............................................................68
4.3 Висновок по розділу 4..................................................................................72
ВИСНОВОК...............................................................................................................73
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.................................................................75
ДОДАТОК А Збірне креслення................................................................................81
ДОДАТОК Б Захист екрану......................................................................................82
ДОДАТОК В Захисна кришка..................................................................................83
ДОДАТОК Г Бокс......................................................................................................84
ДОДАТОК Ґ Специфікація.......................................................................................85
ДОДАТОК Д Електрична принципова схема.........................................................86
ДОДАТОК Е Материнська плата.............................................................................87
ДОДАТОК Є Експерименти.....................................................................................88

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СКОРОЧЕНЬ ТА

ТЕРМІНІВ

АПКВАР Автоматизований портативний комплекс виявлення та аналізу

радіосигналів

ADC Аналого-цифровий перетворювач (англ. Analog-to-Digital Converter)

ADS-B Авіаційна система спостереження (англ. Automatic Dependent

Surveillance–Broadcast)

AGC Автоматичне регулювання підсилення (англ. Automatic Gain

Control)

AM Амплітудна модуляція (англ. Amplitude Modulation)

BMS Система керування акумулятором (англ. Battery Management

System)

CSI Інтерфейс підключення камер (англ. Camera Serial Interface)

CW Неперервна хвиля (морзянка) (англ. Continuous Wave)

DAC Цифро-аналоговий перетворювач (англ. Digital-to-Analog Converter)

DC Постійний струм (англ. Direct Current)

DSI Інтерфейс підключення дисплеїв (англ. Display Serial Interface)

DSP Цифрова обробка сигналів (англ. Digital Signal Processing)

EMI Електромагнітні завади (англ. Electromagnetic Interference)

FFT Швидке перетворення Фур’є (англ. Fast Fourier Transform)

FM Частотна модуляція (англ. Frequency Modulation)

FPGA Програмована логічна матриця (англ. Field-Programmable Gate

Array)

GNSS Глобальна навігаційна супутникова система (англ. Global Navigation

Satellite System)

GPIO Загальні виводи введення/виведення (англ. General Purpose

Input/Output)

GPS Супутникова система позиціонування (англ. Global Positioning

System)

HDMI Мультимедійний інтерфейс високої чіткості (англ. High-Definition

Multimedia Interface)

I2C Послідовний інтерфейс для зв’язку мікросхем (англ. Inter-Integrated

Circuit)

IQ Представлення сигналів у комплексній формі (реальна + уявна

частина) (англ. In-phase and Quadrature)

ISM Безліцензійний радіочастотний діапазон (англ. Industrial, Scientific

and Medical)

Li-ion Літій-іонний акумулятор

Li-Pol Літій-полімерний акумулятор

PCIe Високошвидкісний інтерфейс підключення модулів (англ. Peripheral

Component Interconnect Express)

PLD Програмований логічний пристрій (англ. Programmable Logic

Device)

PoE Живлення через Ethernet-кабель (англ. Power over Ethernet)

RF Радіочастота (англ. Radio Frequency)

RX Прийом сигналу (англ. Receive)

SDR Програмно-визначуване радіо (англ. Software Defined Radio)

SPI Серійний периферійний інтерфейс (англ. Serial Peripheral Interface)

SSB Односмугова модуляція (англ. Single Side Band)

SSD Твердотільний накопичувач (англ. Solid State Drive)

TX Передача сигналу (англ. Transmit)

UART Універсальний асинхронний приймач-передавач (англ. Universal

Asynchronous Receiver-Transmitter)

USB Універсальна послідовна шина (англ. Universal Serial Bus)

M.2 Компактний роз’єм для підключення накопичувачів, модулів Wi-Fi

та ін.

SD Карта пам’яті формату Secure Digital

ВСТУП

У сучасних умовах стрімкого розвитку інформаційних технологій,

активного впровадження бездротових комунікацій та зростання вимог до

автономності, мобільності й захищеності обладнання, особливу увагу

приділяють компактним автономним пристроям. Такі пристрої повинні

ефективно виконувати спеціалізовані завдання у складних або віддалених

середовищах — незалежно від наявності інфраструктури, за обмежених

ресурсів і під загрозою радіочастотних впливів чи стороннього втручання.

Однією з критично важливих функцій таких пристроїв є виявлення,

прийом, обробка та аналіз радіосигналів у широкому частотному діапазоні. Це

необхідно як у військовій сфері (виявлення джерел випромінювання,

забезпечення захищеного зв’язку, радіорозвідка), так і в цивільних

застосуваннях — від аварійно-рятувальних операцій до дослідницьких

польових місій, роботи з дронами, моніторингу спектра тощо.

Через це зростає інтерес до створення відкритих, гнучких і водночас

надійних технічних рішень — зокрема, до автоматизованих портативних

комплексів для виявлення та аналізу радіосигналів, побудованих на основі

відкритого програмного й апаратного забезпечення. Відкритість технологій у

цьому контексті не лише забезпечує прозорість та безпеку, а й дозволяє

адаптувати пристрій під конкретні задачі, оновлювати його та масштабувати

залежно від умов застосування.

Метою цієї дипломної роботи є розробка концепції, апаратної архітектури

та обґрунтування вибору елементної бази для створення автономного

портативного комплексу виявлення та аналізу радіосигналів. Пристрій має

відповідати сучасним вимогам щодо енергоефективності, компактності,

багатофункціональності, можливості роботи в реальному часі, захищеності та

відкритості.

Для досягнення поставленої мети в роботі виконано такі завдання:

1. аналітичний огляд сучасних програмно-визначуваних радіосистем (SDR)

та порівняльний аналіз їх характеристик;

2. розробку структурної схеми комплексу з урахуванням вимог до

функціоналу та експлуатаційних умов;

3. підбір оптимальної елементної бази для побудови комплексу;

4. обґрунтування вибору ключових компонентів системи;

5. опис програмного забезпечення та його ролі в забезпеченні

функціональності комплексу.

Об’єктом дослідження є технічні рішення та апаратно-програмні засоби

для побудови SDR-комплексів.

Предметом дослідження виступає архітектура та елементна база

автоматизованого портативного комплексу для виявлення і аналізу

радіосигналів.

Наукова новизна полягає у поєднанні відкритої архітектури, сучасних

SDR-технологій і модульного підходу до побудови польового пристрою з

можливістю адаптації до конкретних сценаріїв використання.

Практична значущість результатів полягає в можливості створення на їх

основі реального функціонального зразка пристрою, придатного для

автономного використання в польових умовах — як у професійних, так і

аматорських або освітніх цілях.

РОЗДІЛ 1.

АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ ПОРТАТИВНИХ

КОМПЛЕКСІВ ВИЯВЛЕННЯ ТА АНАЛІЗУ РАДІОСИГНАЛІВ

У цьому розділі розглядаються сучасні портативні комплекси для

виявлення, аналізу та обробки радіосигналів, що використовуються для

моніторингу, тестування та дослідження у сфері радіозв’язку. Особлива увага

приділяється програмно-визначуваним радіостанціям (SDR), які забезпечують

гнучкість, багатофункціональність та робота у різному діапазоні частот.

1.1 Технологія програмно-визначеного радіо

Програмно-визначуване радіо (SDR, Software Defined Radio) [1] — це

підхід, при якому більшість функцій традиційного радіоапаратного

забезпечення (наприклад, фільтрація, демодуляція, обробка сигналу)

реалізується програмно, а не апаратно. Це дозволяє змінювати режими роботи

пристрою, підтримувати різні протоколи та стандарти без необхідності заміни

апаратної частини.

Основні переваги SDR.

1. Універсальність — можливість роботи з різними типами сигналів та

протоколів.

2. Гнучкість — швидка зміна налаштувань, частот, режимів роботи через

програмне забезпечення.

3. Компактність і портативність — сучасні SDR-пристрої мають невеликі

розміри та можуть працювати автономно.

4. Масштабованість — можливість оновлення функціоналу шляхом зміни

або доповнення програмного забезпечення.

5. Широкий спектр застосування — від моніторингу стільникових мереж і

аналізу бездротових протоколів до тестування безпеки, наукових

досліджень та навчання.

SDR-комплекси дозволяють здійснювати прийом, аналіз, запис,

відтворення та передачу радіосигналів у широкому частотному діапазоні, що

робить їх незамінними інструментами для фахівців у сфері радіозв’язку,

радіоаматорів, дослідників та інженерів.

Розробка приладу у моїй дипломній роботі мусить грунтуватися на

можливостях існуючих відомих пристроїв. Ці апарати порівняно недорогі, малі

у розмірах, але водночас мають широкі характеристики.

1.1.1 Портативний комплекс Hack RF One Portapack H4

Прилад HackRF One із PortaPack H4 із прошивкою Mayhem — це

багатофункціональна портативна SDR-платформа, призначена для прийому,

передачі й аналізу радіосигналів у широкому діапазоні частот. Пристрій

базується на відкритих програмних рішеннях і може використовуватися для

моніторингу мобільних мереж, дослідження бездротових стандартів,

налаштування радіочастот, тестування захищеності бездротових систем та

інших завдань [2].

Рис.1.1 — One Portapack H4 Mayhem

Оновлений модуль PortaPack H2 (рис.1.1) розширює можливості HackRF

One завдяки кольоровому сенсорному дисплею, навігаційним клавішам і

енкодеру для зручного управління. Встановлена прошивка Mayhem значно

розширює функції аналізу, тестування та роботи з бездротовими мережами.

У порівнянні з попередньою версією, H4 отримала покращений матовий

екран, порт GPIO для підключення додаткових пристроїв, дисплеїв і сенсорів, а

також оновлену систему живлення: один перемикач для вмикання/вимикання,

вдосконалене управління акумулятором, швидке заряджання через Type-C,

відсутність витоків струму та саморозряду.

1.1.2 Портативний комплекс Libre SDR PLUTO

Прилад LibreSDR (рис.1.2) це модифікований SDR у міцному

алюмінієвому боксі [3].

Рис.1.2 — LibreSDR PLUTO з Zynq7020

Плата пристрою оснащена 8-бітовим цифро-аналоговим перетворювачем

та містить низку інтерфейсних портів: два роз’єми MMCX, порт Gigabit Ethernet

для передачі IQ-даних і доступу до консолі вбудованої Linux-системи, два

роз’єми Type-C, слот для MicroSD-картки та чотири SMA-роз’єми. У LibreSDR

інтегровано радіочастотний модуль AD9363.

1.1.3 Портативний комплекс 1.10D DSP SDR

Прилад 1.10D DSP SDR (рис.1.3) підтримує AM, SSB, NFM, WFM, CW,

побудований на SDR-архітектурі з використанням RF-фронтенду msi001 для

12-бітного оцифрування сигналу та процесора stm32h743 із тактовою частотою

до 480 МГц [4].

Діапазон частот пристрою становить 10 кГц–2,0 ГГц (версія 1.10d),

чутливість — 0,3 мкВ при 10 дБ до 250 МГц. Приймач оснащений подвійним

антенним входом, модулем атенюатора переднього каскаду з ослабленням до 30

дБ, високим вхідним опором, покращеною чутливістю на коротких хвилях і

чотирма додатковими фронтальними фільтрами. Пристрій має розширені

можливості - змінна ширина фільтра, адаптивне та порогове шумозаглушення,

шумоподавлення, автоматичне регулювання підсилення (AGC), еквалайзер.

Корпус із друкованої плати для покращеної радіочастотної ефективності,

підключення до ПК через USB для передачі даних IQ, аудіо та керування

пристроєм.

Рис.1.3 — 1.10D DSP SDR

1.1.4 Портативний комплекс Amator SDR

Прилад Amator SDR [5] забезпечує прийом кількох голосових повідомлень,

підтримує прийом голосу в діапазонах SSB, AM, вузькосмугового FM,

широкосмугового FM, і спрощує прийом та відтворення бездротових сигналів з

пультів дистанційного керування діапазону ISM [5].

Рис.1.4 — Amator SDR 1 МГц - 6 ГГц

Одна з найкращих переваг радіотрансивера (зображеного на рисунку 1.4)

полягає в тому, що він дозволяє дуже легко вловлювати та відтворювати

бездротові сигнали з пультів дистанційного керування діапазону ISM. Все, що

вам потрібно зробити, це зайти в меню приймача, встановити частоту клавішею

пульта дистанційного керування, натиснути червону кнопку запису «R» та

натиснути клавішу на пульті дистанційного керування. Потім зупиніть запис,

щоб зберегти його на карту пам’яті. Тепер ви можете перейти до меню

«Відтворення», вибрати щойно записаний файл і натиснути кнопку

«Відтворити». Точно такий же сигнал буде передаватися по повітрю, ефективно

замінюючи ваш віддалений ключ.

1.1.5 Портативний комплекс Malahit DSP2 2.40

Прилад Malahit-DSP2 SDR (рис.1.5), оригінальний приймач другого

покоління. Найновіша прошивка версії 2.40 створила абсолютно новий

оригінальний приймач Malahit-DSP2, котрий має широкий спектр застосування

та може використовуватися на кораблях, автомобілях, електронних лічильниках

комунальних послуг, для моніторингу транспондерів тощо [6].

Рис.1.5 — Malahit DSP2 SDR

Всі вищеописані пристрої дуже ефективні та широкофункціональні.

Найбільш важливі характеристики для наочності порівняння зведені у таблиці

1.1.

Таблиця 1.1 Порівняння існуючих портативних комплексів

На основі проведеного аналітичного огляду приладів SDR-технології

можна зробити висновок, що сучасні портативні системи для виявлення,

аналізу та передачі радіосигналів є ефективними, універсальними та

багатофункціональними засобами. Їхній функціонал значною мірою

визначається як апаратною, так і програмною складовими, що дає змогу

налаштовувати ці прилади під різні сфери застосування. Так у промисловості –

для професійного контролю параметрів та якості радіочастот. У науці - для

точності дослідів та експериментів. Також для створення радіо комплексів

виявлення, ідентифікації, обробки та допомоги у знищенні ворожих цілей.

1.2 Висновок по розділу 1

Розглянуті прилади SDR — демонструють різні підходи до реалізації SDR-

рішень. Вони відрізняються функціональністю, широким діапазоном частот,

інтеграцією різноманітних інтерфейсів, типами екранів, автономністю та

можливостями програмного налаштування. Зокрема, HackRF Onе виділяється

універсальністю і компактністю, LibreSDR - потужним обчислювальним

модулем та високою пропускною здатністю, 1.10D DSP SDR - простотою

використання та широким функціоналом, Amator SDR - зручністю роботи з

голосовими повідомленнями та аналізом ISM-сигналів а Malahit DSP2 -

автономністю роботи.

Аналіз існуючих портативних комплексів виявлення та аналізу

радіосигналів: HackRF One, LibreSDR, 1.10D DSP SDR, Amator та Malahit DSP2,

показав, що жоден з них не є всеохоплюючим рішенням для наших конкретних

потреб. Це обґрунтовує необхідність розробки власного портативного

комплексу, який зможе акумулювати найкращі якості ринкових аналогів.

Майбутній пристрій буде мати великий сенсорний екран для інтуїтивного

управління, забезпечуватиме високу автономність живлення для тривалої

роботи, використовуватиме відкрите програмне забезпечення для легкого

адаптування та модернізації, а також охоплюватиме широкий діапазон

радіочастот для максимальної ефективності виявлення та аналізу сигналів.

РОЗДІЛ 2.

РОЗРОБКА АВТОМАТИЗОВАНОГО ПОРТАТИВНОГО

КОМПЛЕКСУ АНАЛІЗУ РАДІОСИГНАЛІВ

Розробка — це комплексний процес створення нового пристрою або

системи, що включає аналіз вимог, проєктування, виготовлення, тестування та

впровадження. Метою розробки є отримання функціонального, надійного та

ефективного продукту, який відповідає поставленим завданням і вимогам

користувача.

Основні цілі розробки.

1. Задоволення потреб користувача: створення пристрою, який вирішує

конкретні задачі, наприклад, виявлення та аналіз радіосигналів.

2. Оптимізація функціональності: забезпечення максимальної ефективності

роботи системи при мінімальних витратах ресурсів.

3. Інтеграція сучасних технологій: використання новітніх апаратних і

програмних рішень для підвищення продуктивності та зручності

експлуатації.

Ретельно організований процес розробки дозволяє мінімізувати ризики,

скоротити час виходу продукту на ринок і забезпечити відповідність пристрою

сучасним стандартам. Для автоматизованого портативного комплексу це

особливо важливо, оскільки система повинна бути надійною, мобільною,

енергоефективною та зручною у використанні.

2.1 Розробка структурної схеми

Структурна схема — це візуальне представлення, яке демонструє ключові

елементи системи та взаємозв’язки між ними. Вона дає змогу сформувати

цілісне бачення побудови пристрою, його функціональних можливостей і

способів взаємодії компонентів. Такий підхід спрощує аналіз системи,

допомагає виявити надлишкові або відсутні частини, а також сприяє

оптимізації її функціонування.

На рисунку 2.1 представлена структурна схема автоматизованого

портативного комплексу для виявлення та аналізу радіосигналів (АПКВАР).

Рис.2.1 — Структурна схема

Опис роботи системи.

Центральний модуль. * Виконує обчислювальні операції, обробку даних та

управління всіма компонентами системи. * Підключений до периферійних

пристроїв через IO Board. * Інтегрує функції комунікаційного модуля

(Wi-Fi/Bluetooth).

Сенсорний дисплей.

 Забезпечує інтерфейс користувача для управління системою.

 Відображає дані, отримані від інших компонентів, та дозволяє вводити

команди.

 Модуль радіо прийому передачі.

 Виконує прийом та передачу радіосигналів у діапазоні від 1 МГц до 6 ГГц.

 Передає отримані дані на центральний модуль для подальшого аналізу.

GPS-модуль.

 Визначає координати пристрою та передає їх до центрального модуля.

 Використовується для геопросторового аналізу та синхронізації.

2.2 Підбір елементної бази

Підбір елементної бази — це ключовий етап у розробці будь-якого

електронного пристрою, особливо якщо йдеться про складні

багатофункціональні системи, такі як польовий планшет для збору, обробки та

передачі даних. Від правильного вибору компонентів залежить не лише

функціональність, а й надійність, енергоефективність, масштабованість і

вартість кінцевого виробу.

Потрібно забезпечити оптимальне поєднання апаратних компонентів, які

відповідають вимогам роботи за наступними критеріями.

 Функціональність: кожен елемент повинен виконувати свою роль

(наприклад, прийом радіосигналу, обробка даних, зберігання інформації,

відображення результатів, автономне живлення тощо).

 Сумісність: компоненти мають бути електрично та програмно сумісними

між собою, щоб забезпечити стабільну роботу системи.

 Енергоефективність: важливо мінімізувати споживання енергії, особливо

для портативних і автономних пристроїв.

 Масштабованість і гнучкість: можливість розширення функціоналу або

заміни окремих модулів без повної переробки пристрою.

 Надійність і довговічність: вибір перевірених рішень із хорошою

репутацією та підтримкою.

2.2.1 Антени

Антени — це ключовий елемент системи прийому та передачі

радіосигналів, оскільки саме вони забезпечують ефективний зв’язок пристрою з

навколишнім радіочастотним середовищем. У контексті польового планшета

для збору, обробки та передачі даних антени виконують наступні функції [7] .

 Прийом радіосигналів: антена вловлює електромагнітні хвилі з ефіру та

перетворює їх на електричний сигнал, який далі обробляється SDR-

приймачем або іншим радіомодулем. Якість прийому залежить від типу

антени, її розміру, налаштування та відповідності робочому діапазону

частот.

 Передача радіосигналів: при необхідності антена випромінює сформований

електричний сигнал у вигляді радіохвиль, забезпечуючи зв’язок із

зовнішніми пристроями, мережами або іншими системами.

 Забезпечення оптимальної роботи SDR: для широкосмугових SDR-

приймачів важливо мати антену, яка покриває необхідний частотний

діапазон і має відповідну діаграму спрямованості (всенаправлену чи

спрямовану — залежно від задачі).

 Гнучкість і масштабованість: можливість підключення різних типів антен

дозволяє адаптувати пристрій під різні сценарії використання — від

моніторингу широкого спектра до точкового прийому слабких або далеких

сигналів.

 Зниження рівня шуму та перешкод: правильно підібрана антена зменшує

вплив зовнішніх завад, підвищує чутливість системи та покращує якість

прийому.

У польових умовах особливо важливо враховувати компактність, міцність,

простоту монтажу та можливість швидкої заміни або налаштування антени під

конкретні задачі. Вибір типу антени (телескопічна, дипольна, дискон,

спрямована, петльова тощо) визначається робочим діапазоном частот,

вимогами до дальності зв’язку, рівнем сигналу та специфікою застосування

(моніторинг, аналіз, передача даних, геолокація тощо).

Таким чином, антена є невід’ємною частиною апаратної платформи, що

безпосередньо впливає на ефективність і функціональність пристрою для

прийому та передачі радіосигналів.

Види антен[8]:

Телескопічна антена (Whip Antenna).

 Частотний діапазон: ~30 МГц – 1 ГГц (залежно від довжини)

 Переваги: регульована довжина, компактність

 Недоліки: погано працює на частотах нижче 20 МГц або вище 1 ГГц

 Ідеальна для загального моніторингу, прослуховування FM-радіо,

авіадіапазону тощо.

Дипольна антена.

 Частотний діапазон: залежить від довжини плечей (резонансна)

 Переваги: хороша ефективність на налаштовану частоту

 Недоліки: потребує місця для встановлення, вузькосмугова

 Підходить для прийому короткохвильових (HF) та деяких VHF сигналів.

Антена Discone.

 Частотний діапазон: ~25 МГц – 1.3 ГГц

 Переваги: надширокий діапазон, всенаправлена

 Недоліки: габаритна, складна у транспортуванні

 Популярна для загального спектрального аналізу або моніторингу кількох

діапазонів.

Спрямовані антени (Yagi, Log-periodic).

 Частотний діапазон: залежить від конструкції

 Переваги: велике підсилення, вузька діаграма направленості

 Недоліки: потрібно точно наводити, габарити

 Використовується для направленого прийому, наприклад, супутникових

або цифрових наземних сигналів.

Петльова антена (Loop Antenna).

 Частотний діапазон: від LW до HF

 Переваги: низький рівень шуму, малий розмір

 Недоліки: вузькосмугова, потребує підстроювання

 Чудово підходить для прийому слабких сигналів у діапазоні коротких

хвиль.

 Антена типу “вухо кролика” (Rabbit Ears).

 Частотний діапазон: 50 – 800 МГц

 Переваги: дешева, проста

 Недоліки: неефективна поза телевізійними діапазонами

 Може використовуватись для прийому DVB-T, FM або експериментів.

2.2.2 Радіо модуль

Завдяки мікротехнологіям виготовлення плат із мікросхемами та окремими

мікро-деталями, на сьогодні у пристроях SDR використовуються більш

функціональніші можливості, що перетворює блок прийому сигналу у

повноцінний приймач-відтворювач. Тому вихідні дані сигналу обробляються

ПЗ і відповідно подаються у вигляді сигналів для формування зображень та

звуку на моніторі чи у гучномовцю.

HackRF-One[9] — це програмоване радіо, що дозволяє працювати з

широким діапазоном частот (від 1 MHz до 6 GHz). Цей пристрій (рис.2.2) є

потужним інструментом для досліджень і застосувань у бездротових

комунікаціях, криптографії, виявленні та аналізі радіосигналів.

Рис.2.2 — HackRF-One

HackRF-One має низку переваг, серед яких — підтримка широкого

діапазону частот (від 1 MHz до 6 GHz), що дозволяє працювати з більшістю

радіочастотних спектрів, а також можливість програмного налаштування

параметрів роботи завдяки відкритому програмному забезпеченню.

Компактний розмір пристрою забезпечує зручність використання у польових

умовах. Водночас, для ефективної роботи з HackRF-One необхідні

спеціалізовані знання у сфері радіоелектроніки та програмування, а обмежена

вихідна потужність не дозволяє використовувати його для високоякісних або

далекобійних передавальних задач.

RTL-SDR[10] — це недорогий USB-приймач SDR (рис.2.3), побудований

на базі RTL2832U. Хоча він не підтримує передавання сигналів, його можна

використовувати для широкого спектру задач моніторингу — від аналізу

спектру до прийому супутникових або авіаційних сигналів.

Рис.2.3 — RTL-SDR v3

RTL-SDR вирізняється дуже низькою вартістю, що робить його ідеальним

вибором для початківців і аматорських проєктів. Пристрій дозволяє приймати

сигнали в діапазоні від 500 кГц (за умови модифікації) до 1,7 ГГц і сумісний із

популярними програмами, такими як SDR#, GQRX, GNURadio. Основними

обмеженнями RTL-SDR є те, що він працює лише як приймач (немає

можливості передавати сигнали), має вужчий частотний діапазон порівняно з

HackRF, а також характеризується нижчою точністю та динамічним

діапазоном.

LimeSDR Mini[11] — це компактний SDR (рис.2.4) із повною підтримкою

прийому та передачі сигналів. Працює в діапазоні від 10 MHz до 3.5 GHz та

підтримує USB 3.0 для високої швидкості передачі даних. Відмінно підходить

для мобільних проєктів з аналізу та трансляції сигналів.

Рис.2.4 — LimeSDR Mini

LimeSDR Mini має повноцінну підтримку прийому та передачі сигналів

(TX/RX), забезпечує вищу якість сигналу порівняно з HackRF, особливо при

роботі з цифровою модуляцією, а також підтримується відкритим програмним

забезпеченням і активною спільнотою. До недоліків можна віднести вужчий

частотний діапазон (до 3,5 ГГц проти 6 ГГц у HackRF-One), а також вищу ціну

порівняно з RTL-SDR і дещо складніше налаштування для початківців.

ADALM-Pluto (PlutoSDR)[12] від Analog Devices — це потужна SDR-

платформа (рис.2.5) з підтримкою прийому і передачі в діапазоні 325 MHz – 3.8

GHz (можна розширити до 70 MHz – 6 GHz через прошивку). Використовується

в освітніх та наукових цілях, з дуже якісною документацією та підтримкою від

виробника.

Рис.2.5 — ADALM-Pluto

ADALM-Pluto (PlutoSDR) від Analog Devices вирізняється надійною

апаратною реалізацією, підтримкою прийому і передачі сигналів із хорошим

рівнем чистоти спектру, а також можливістю програмного розширення

частотного діапазону. Водночас цей модуль має менш компактний форм-

фактор порівняно з HackRF-One і може бути складнішим у налаштуванні для

новачків.

BladeRF[13] 2.0 micro xA4 SDR трансівер 47 МГц-6 ГГц 49 КЛЕ ПЛІС —

це SDR-пристрій нового покоління (рис.2.6), який охоплює частотний діапазон

від 47 МГц до 6 ГГц, підтримує частоту дискретизації 61,44 МГц (з можливістю

підвищення до 122,88 МГц) і забезпечує потокову обробку сигналів у режимі

2×2 MIMO. bladeRF ідеально підходить для мобільних та високопродуктивних

застосувань.

Рис.2.6 — BladeRF

Металевий екран забезпечує захист чутливих радіочастотних елементів від

електромагнітних завад (EMI) і покращує тепловідведення, що дозволяє

bladeRF стабільно працювати навіть у складних умовах.

Усі SMA-порти для радіочастотних сигналів можуть подавати живлення на

широкосмугові або попередні підсилювачі через схему інжекції струму.

Керування живленням периферійних пристроїв здійснюється програмно, що

забезпечує максимальну гнучкість у використанні.

Основою bladeRF 2.0 є сучасна ПЛІС Cyclone V від Intel (раніше Altera). У

моделі xA4 використовується ПЛІС із 49 тисячами логічних елементів.

У таблиці 2.1 наведено порівнальну характеристику радіомодулів.

Таблиця 2.1 Загальні характеристики модулів радіо

2.2.3 Обчислювальний модуль

Центральне ядро обчислень є мозком будь-якого сучасного електронного

пристрою. Саме цей компонент відповідає за обробку даних, виконання

програмного забезпечення, взаємодію з периферією та забезпечення загальної

продуктивності системи. Вибір обчислювального модуля визначає можливості

пристрою щодо швидкості роботи, підтримки сучасних інтерфейсів,

енергоефективності та масштабованості. У цьому підрозділі розглядаються

основні варіанти центральних обчислювальних платформ, їхні характеристики,

переваги та недоліки для побудови польового планшета.

Raspberry Pi Compute Module 5 (CM5)[14] — це компактний та потужний

комп’ютер на базі процесора Broadcom BCM2711, який використовується в

різноманітних вбудованих системах. Це основний компонент (рис.2.6), який

виконує обчислювальні операції у проекті. CM4 пропонує широку гнучкість

завдяки варіативності в обсягах пам’яті (від 1 ГБ до 8 ГБ) і можливості

додаткового зберігання через eMMC або microSD картки.

Рис.2.6 — Raspberry Pi Compute Module 5

Compute Module 5 має низку переваг, серед яких — висока обчислювальна

потужність завдяки чотириядерному процесору Cortex-A72, що дозволяє

ефективно виконувати ресурсоємні задачі, включаючи обробку відео та даних у

реальному часі. Гнучкість конфігурації забезпечується різними варіантами

обсягу оперативної та постійної пам’яті, а також підтримкою широкого спектра

периферійних пристроїв через GPIO, HDMI, USB, Ethernet і стандартні

Raspberry Pi HAT. Вбудовані модулі Wi-Fi та Bluetooth дають змогу

організувати бездротовий зв’язок і передачу даних без додаткових адаптерів.

Серед недоліків варто відзначити підвищені вимоги до живлення — модуль

потребує стабільного джерела енергії, що може ускладнити використання в

автономних системах. Також Compute Module 5 не має вбудованого дисплея,

тому для роботи необхідно підключати зовнішній екран. Крім того, відсутність

стандартного жорсткого диска обмежує швидкість і обсяг зберігання даних, що

може бути критичним для задач із великими масивами інформації.

NVIDIA Jetson Nano[15] — це мікрокомп’ютер (рис.2.7), орієнтований на

проекти з використанням штучного інтелекту. Він оснащений чотириядерним

ARM Cortex-A57 процесором та графічним процесором NVIDIA Maxwell із 128

ядрами CUDA, що робить його ідеальним для задач комп’ютерного зору,

машинного навчання та автономних систем.

Рис.2.7 — NVIDIA Jetson Nano

NVIDIA Jetson Nano вирізняється потужним графічним процесором, що

дозволяє ефективно виконувати задачі глибокого навчання, штучного інтелекту

та відеоаналітики в реальному часі. Платформа оптимізована для роботи з

популярними AI-фреймворками, такими як TensorFlow, PyTorch і OpenCV, а

також підтримує підключення дисплеїв через HDMI і MIPI DSI та камер через

CSI-інтерфейс. Основними недоліками є підвищене енергоспоживання, що

обмежує використання у повністю автономних пристроях, менша спільнота

користувачів порівняно з Raspberry Pi, а також необхідність активного

охолодження при тривалих навантаженнях.

Radxa CM3[16] — це сумісний за розмірами модуль з Raspberry Pi CM4,

але базується на SoC Rockchip RK3566 (4x Cortex-A55 до 2.0 ГГц) і

орієнтований на вбудовані та мультимедійні рішення (рис.2.8). Він підтримує

до 8 ГБ LPDDR4 RAM і до 128 ГБ eMMC.

Рис.2.8 — Radxa CM3

Radxa CM3 вирізняється високою енергоефективністю завдяки процесору

Cortex-A55, що забезпечує хорошу продуктивність при низькому споживанні

енергії, а також підтримкою сучасних відеокодеків і 4K-відео. Модуль повністю

сумісний по роз’єму з Raspberry Pi CM4, що спрощує інтеграцію у вже існуючі

рішення. Водночас, його екосистема менш розвинена: доступно менше

програмного забезпечення, підтримка спільноти слабша, а підтримка Linux

дещо обмежена порівняно з Raspberry Pi OS. Крім того, у базовій конфігурації

відсутні вбудовані модулі Wi-Fi та Bluetooth, що може вимагати додаткових

адаптерів для бездротового зв’язку.

У таблиці 2.2 наведена порівняльна характеристика обчислювальних

модулів.

Таблиця 2.2 Загальні характеристики обчислювальних модулів

2.2.4 GPS модуль

У сучасних портативних пристроях модуль GPS є невід’ємною складовою

для визначення місцезнаходження, синхронізації часу та навігації. Вибір

відповідного GPS-модуля впливає на точність позиціювання, швидкість

отримання координат і стабільність роботи в різних умовах. У цьому підрозділі

розглядаються основні типи GPS-модулів, їхні характеристики, переваги та

недоліки для інтеграції у польовий планшет.

GPS модуль u-blox NEO-6M[20] (рис.2.11) забезпечує точне визначення

географічних координат і може використовуватися для синхронізації часу або

визначення місця розташування. Він є важливим компонентом для проектів, де

необхідно точно визначати позицію детекованого сигналу, наприклад, у

системах моніторингу або геолокації.

Рис.2.11 — GPS модуль NEO-6M v2

Основними перевагами модуля NEO-6M є висока точність позиціювання

(до кількох метрів), швидкий старт (підтримка холодного та гарячого старту),

низьке енергоспоживання, а також широка сумісність завдяки стандартним

інтерфейсам UART і I2C, що спрощує інтеграцію у різні системи. До недоліків

можна віднести залежність від якості прийому супутникового сигналу — для

отримання точних координат потрібен відкритий доступ до неба, а для

покращення прийому часто необхідна зовнішня антена.

u-blox NEO-M8N

NEO-M8N — більш сучасна модель від u-blox з розширеною

функціональністю. Підтримує одразу декілька навігаційних систем (GPS,

GLONASS, Galileo), що значно підвищує точність і надійність у складних

умовах.

Основними перевагами модуля NEO-M8N є підтримка кількох

супутникових систем (GPS, GLONASS, Galileo), що забезпечує вищу точність і

стабільність позиціювання навіть у складних умовах, наприклад, у міській

забудові або лісистій місцевості. Модуль також вирізняється високою

швидкістю оновлення координат (до 10 Гц), що дозволяє оперативно

відстежувати рух об’єкта. До недоліків можна віднести вищу вартість у

порівнянні з базовими моделями, а також необхідність використання якісної

антени для досягнення максимальної продуктивності та точності.

У таблиці 2.3 наведена порівняльна характеристика модулів GPS.

Таблиця 2.3 Загальні характеристики модулів GPS

2.2.5 Пам’ять постійного зберігання

Пам’ять постійного зберігання є критичним компонентом будь-якого

сучасного електронного пристрою, оскільки саме вона відповідає за збереження

операційної системи, програмного забезпечення та користувацьких даних. Від

вибору типу та моделі накопичувача залежать швидкість роботи системи,

надійність зберігання інформації, енергоефективність і загальна стабільність

пристрою. У цьому підрозділі розглядаються основні варіанти SSD-

накопичувачів, їхні характеристики, переваги та недоліки для використання у

складі польового планшета.

Диск SSD (рис.2.12) MTS420S MTS420S 240GB M.2 2242 SATAIII 3D

NAND TLC[21] забезпечує високу швидкість читання та запису завдяки

використанню 3D NAND технології та інтерфейсу SATAIII. Ідеальний для

зберігання операційної системи, даних та програм у вашому пристрої.

Рис.2.12 — SSD диск Transcend MTS420S

Основними перевагами SSD Transcend MTS420S є висока швидкість

роботи, що забезпечує швидке завантаження операційної системи та

збереження даних, а також надійність завдяки використанню 3D NAND-

пам’яті, яка має більшу стійкість до зносу порівняно з традиційною 2D NAND.

Додатковою перевагою є енергоефективність — споживання енергії значно

нижче, ніж у механічних жорстких дисків, що важливо для автономних

пристроїв. До недоліків можна віднести вищу вартість у порівнянні з

класичними HDD, а також обмежену ємність: хоча 240 ГБ достатньо для

більшості стандартних задач, для зберігання великих обсягів даних може

знадобитися диск більшої місткості.

KingSpec M.2 2242 SATAIII 256GB — китайський виробник SSD-дисків,

який пропонує бюджетні рішення з форм-фактором M.2 2242. Цей SSD має

інтерфейс SATAIII і базується на TLC NAND, що забезпечує швидкий доступ

до даних. Вирізняється вигідною ціною, продуктивністю на рівні більшості

SATAIII SSD і широкою доступністю на AliExpress та локальних ринках. Однак

цей накопичувач поступається брендовим рішенням за надійністю та

тривалістю служби, а якість окремих партій може суттєво відрізнятися.

У таблиці 2.4 представлена порівняльна характеристика SSD.

Таблиця 2.4 Загальні характеристики модулів пам'яті

2.2.6 Сенсорний дисплей

Сенсорний дисплей є одним із ключових елементів сучасних портативних

пристроїв, оскільки саме він забезпечує основний інтерфейс взаємодії

користувача з системою. Від вибору типу, розміру, роздільної здатності та

технології сенсорного введення залежить зручність експлуатації,

функціональність і ергономіка пристрою. У цьому підрозділі розглядаються

основні варіанти сенсорних дисплеїв, їхні характеристики, переваги та недоліки

для інтеграції у польовий планшет, а також обґрунтовується вибір

оптимального рішення для конкретних задач роботи.

Дисплей IBM Lenovo Wacom (рис.2.13) 12.1in XGA LCD Touch Screen[22]

має XGA роздільну здатність (1024x768 пікселів) і підтримує технологію

стилусного введення. Його можна використовувати для розробки інтерфейсів

користувача, де необхідний високий рівень точності введення. Використання

стилуса дозволяє отримати більш точні результати, що важливо в польових

умовах або при роботі з картами та іншими детальними графіками.

Рис.2.13 — IBM Lenovo Wacom 12.1in XGA LCD Touch Screen

Сенсорний дисплей IBM Lenovo Wacom має низку переваг, серед яких

підтримка як сенсорного введення пальцем, так і точного введення за

допомогою стилуса, що особливо важливо для інтерактивних і професійних

додатків. Його компактний розмір робить пристрій зручним для портативного

використання, а висока точність введення дозволяє ефективно працювати

навіть у складних робочих умовах. Водночас до недоліків можна віднести

відносно невеликий розмір екрана, який може бути недостатнім для

відображення складних графічних інтерфейсів, а також вищу вартість у

порівнянні з іншими типами дисплеїв подібного класу.

Waveshare 10.1" (рис.2.14) HDMI LCD with Capacitive Touch[23] це 10.1-

дюймовий дисплей із роздільною здатністю 1280x800 пікселів підтримує

ємнісне сенсорне введення до 10 дотиків одночасно. Він підключається через

HDMI для відео і через USB для сенсорного інтерфейсу, що робить його

простим у використанні з Raspberry Pi Compute Module 5.

Рис.2.14 — Waveshare 10.1 HDMI LCD

Waveshare 10.1" HDMI LCD із ємнісним multitouch має низку переваг:

високу роздільну здатність (1280×800), що робить його зручним для сучасних

інтерфейсів користувача, підтримку до 10 одночасних дотиків для плавної

взаємодії, а також просте підключення через HDMI та USB без необхідності

складного налаштування драйверів. Водночас дисплей не підтримує роботу зі

стилусом із точністю Wacom і не має MIPI-інтерфейсу, тому для підключення

до системи потрібен HDMI-порт, що може бути незручним у компактних

планшетах.

Official Raspberry Pi Touchscreen Display[24] має роздільну здатність

800x480 та підтримує ємнісний multitouch. Підключається через DSI-інтерфейс

(рис.2.15), тому не займає HDMI-порт, що критично у компактних системах.

Рис.2.15 — Raspberry Pi 7 Touchscreen

Основними перевагами офіційного сенсорного дисплея Raspberry Pi є

підключення через інтерфейс DSI, що дозволяє не займати HDMI-порт і

залишає його для додаткових дисплеїв або інших пристроїв, компактний

розмір, який ідеально підходить для невеликих корпусів планшетів, а також

повна інтеграція з Raspberry Pi завдяки підтримці драйверів «з коробки».

Водночас до недоліків цього дисплея належать невисока роздільна здатність

(800×480), що може бути обмеженням при роботі зі складними або великими

інтерфейсами користувача, а також малий фізичний розмір екрана, який не

завжди зручний для відображення великої кількості інформації.

На таблиці 2.5 наведена порівняльна характеристика дисплеїв.

Таблиця 2.5 Загальні характеристики сенсорних дисплеїв

2.2.7 Модуль живлення

Живлення є одним із ключових компонентів автоматизованого

портативного комплексу, що безпосередньо впливає на його автономність,

стабільність і загальну ефективність. У зв’язку з цим особливу увагу приділено

вибору типу акумуляторної батареї, яка забезпечує надійне та довготривале

функціонування пристрою в польових умовах.

Сучасні портативні електронні пристрої майже повністю перейшли на

літій-іонні (Li-ion) джерела живлення, що витіснили застарілі кислотні та лужні

батареї.

Літієві акумулятори мають низку важливих переваг: вони

характеризуються високою густиною енергії, що дозволяє створювати

компактні та легкі пристрої; забезпечують швидке заряджання (повний цикл за

1–2 години); відзначаються довговічністю — ресурс може досягати до 8000

циклів заряджання-розряджання; мають низький саморозряд, завдяки чому

енергія зберігається тривалий час навіть без експлуатації; є екологічно

безпечними, оскільки відсутні небезпечні сполуки для людини, такі як: Pb, Cd

чи Hg. Кожен елемент Li-ion акумулятора складається з анода з пористого

вуглецю (на мідній фользі), катода з оксиду літію (на алюмінієвій фользі),

сепаратора — пористої мембрани, просоченої електролітом, та герметичного

корпусу, який іноді оснащується вентиляційним клапаном для підвищення

безпеки.

Огляд типів літієвих акумуляторів

LiCoO₂ – Літій-кобальтові (LCO) це найпоширеніший тип акумуляторів у

портативній техніці (смартфони, ноутбуки, фотоапарати). Характеризується

високою питомою енергією.

LiMn₂O₄ – Літій-марганцеві (LMO) використовуються в

електроінструменті, транспорті, медичній техніці.

Li-Pol – Літій-полімерні мають гнучку конструкцію, можуть випускатися у

вигляді тонких пластин. Застосовуються у смартфонах, планшетах,

радіомоделях.

LiFePO₄ – Літій-залізо-фосфатні найбільш безпечні й довговічні.

Використовуються в альтернативній енергетиці, електротранспорті,

портативних енергосистемах.

LTO – Літій-титанатні мають найвищу кількість циклів, стабільні при

низьких температурах. Застосовуються в транспорті, сонячних системах,

медичній техніці.

Li-NMC – Літій-нікель-марганець-кобальт-оксидні збалансовані за

характеристиками, використовуються в електротранспорті, ІБЖ, системах з

високим струмом.

У таблиці 2.6 наведена порівняльна характеристика акумуляторів.

Таблиця 2.6 Загальні характеристики Li-ion елементів живлення

З огляду на вимоги до автономності, габаритів і гнучкості корпусу, для

проєкту було обрано літій-полімерну батарею типорозміру 1260110 (рис.2.16) з

ємністю 10000 мА·год і напругою 3.7 В:

 Розміри: 110 × 60 × 12 мм.

 Підходить для планшетного форм-фактору.

 Має захист від перезаряду/перерозряду (через BMS).

 Достатня для 6–10 годин автономної роботи.

Рис.2.16 — li-ion 10 Ah, 3.7v, 1260110

Ретельний аналіз доступних типів літієвих акумуляторів дозволив обрати

найоптимальніший варіант — Li-Pol батарею, яка повністю відповідає

критеріям компактності, автономності, енергоефективності та безпеки.

Дотримання режимів експлуатації та захисту дозволить забезпечити

довготривалу та стабільну роботу пристрою в складних умовах.

2.2.8 Материнська плата

У цій частині розглядаються варіанти материнських плат, сумісних з

модулем Raspberry Pi Compute Module 5, які виконують роль основи для

підключення периферійних пристроїв, живлення та розширення

функціональності системи. Порівняння різних моделей дозволяє визначити

оптимальне рішення залежно від вимог до габаритів, кількості інтерфейсів,

підтримки мультимедійних модулів, а також можливостей розширення та

живлення.

Compute Module 5 IO Board[28] це основна плата (рис.2.17) для

підключення Raspberry Pi Compute Module 5 до різних периферійних пристроїв.

Вона надає різноманітні порти та можливості підключення: HDMI, USB,

Ethernet, слот для microSD, PCIe слот для розширення і підтримку камер через

MIPI CSI-2.

Рис.2.17 — Compute Module 5 IO Board

Waveshare CM4 IO Base Board B[29] спеціально розроблена для Raspberry

Pi Compute Module 5. Вона має компактний форм-фактор, зручний для

вбудованих рішень, а також надає доступ до основних портів: HDMI, USB,

Ethernet, камери та дисплеїв через MIPI (рис.2.18).

Рис.2.18 — Waveshare CM4 IO Base Board B

Seeed Studio reComputer CM4 IO Board[30] розроблена для використання з

CM4, плата reComputer IO Board (рис.2.19) орієнтована на промислові рішення

та мультимедійні пристрої. Має повноцінний набір інтерфейсів, включаючи

HDMI, USB 3.0, GbE Ethernet, слот PCIe, RTC, і підтримує до 2 камер.

Рис.2.19 — Seeed Studio reComputer CM4 IO Board

2.3 Розробка електричної принципової схеми

В основі розроблюваної системи лежить процесорний модуль Raspberry Pi

Compute Module 5. Цей модуль є центральним елементом, що забезпечує

обробку даних та керування всіма функціями пристрою.

2.3.1 Процесорний модуль та його інтерфейси:

Для розробки друкованої плати необхідно правильно використовувати

ніжки процесорного модуля (зображені на рисунку 2.20) та розуміти його

можливості. У таблицях 2.7 та 2.8 наведений опис ніжок процесорного модулю.

Рис.2.20 — Ніжки процесорного модуля RPi Computer Module

Таблиця 2.7 Виводи з лівого боку RPi CM

Таблиця 2.8 Виводи з правого боку RPi CM

2.3.2 Організація кола живлення

Система живлення (рис.2.20) розроблена для роботи від зовнішнього

джерела постійного струму та включає кілька етапів перетворення та

стабілізації напруги. У таблиці 2.9 наведений перелік описів позначень.

Рис.2.20 — Кола живлення: a) роз’єм живлення, б) роз’єм зяряду АКБ,

Таблиця 2.9 Кола живлення

Кола фільтрації та розв’язки:

По всій схемі розкидані конденсатори малої ємності (наприклад, 10n, 100n,

10u), які служать для блокування високочастотних шумів (decoupling capacitors)

та згладжування пульсацій на лініях живлення поблизу мікросхем (C64, C65,

C67, C68 поблизу U17). Це допомагає забезпечити стабільне та чисте живлення

для чутливих цифрових та аналогових схем.

2.3.3 Реалізація інтерфейсів та роз’ємів

Вибір конкретних типів інтерфейсів базувався на їх поширеності,

енергоспоживанні та підтримці сучасними мікроконтролерами і процесорними

модулями. Кожен інтерфейс реалізований через відповідні роз’єми та

підключений до контролера через спеціалізовані сигнальні лінії, що дозволяє

ефективно передавати дані, керувати пристроями і підключати додаткові

модулі [32] . Схема наведена на рисунку 2.21.

Рис.2.21 — Роз’єми Type C, Ethernet, MicroSD Audio, GPS

У таблицях 2.10 та 2.11 наведені переліки протоколів.

Таблиця 2.10 Основні апаратні інтерфейси

Таблиця 2.11 Опис контактів роз’ємів

Такі інтерфейси (зображені на рисунку 2.22) застосовуються для

підключення дисплеїв, периферійних модулів, камер, а також для обміну

даними з зовнішніми пристроями. Вибір інтерфейсів базується на стандартах,

які підтримують сучасні процесорні модулі, та забезпечують надійний

фізичний рівень передачі даних.

Рис.2.22 — Роз’єми USB3, HDMI та екран

У таблицях 2.12 та 2.13 представлений перелік роз’ємів та інтерфейсів.

Таблиця 2.12 Високошвидкісні інтерфейси та їх характеристики

Таблиця 2.13 Основні контакти високошвидкісних роз’ємів

Інтерфейс M.2 (раніше відомий як Next Generation Form Factor, NGFF),

(рис.2.23), є сучасним високошвидкісним роз’ємом, призначеним для

підключення різноманітних модулів розширення, таких як SSD накопичувачі,

модулі Wi-Fi, Bluetooth, LTE та інші периферійні пристрої. Інтерфейс

підтримує різні протоколи передачі даних, зокрема PCI Express, SATA та USB,

що забезпечує гнучкість у виборі та інтеграції компонентів. M.2 має

компактний форм-фактор, що дозволяє ефективно використовувати простір у

портативних пристроях та ноутбуках, а також забезпечує високу швидкість

передачі даних завдяки підтримці ліній PCIe 3.0 і вище. У таблиці 2.14

наведений список інтерфейсів.

Рис.2.23 — M2 SSD

Таблиця 2.14 Основні контакти роз’єму M.2 (Key M)

2.3.4 Загальна компоновка та 3D вигляд друкованої плати

Після розробки принципової електричної схеми наступним етапом є

компоновка компонентів на друкованій платі (PCB) та її фізичне проектування.

Рисунок 2.24 друкованої плати демонструє розташування ключових

функціональних блоків та роз’ємів, що забезпечує інтуїтивне розуміння

фізичної реалізації пристрою.

Рис.2.24 — ЗД вигляд друкованої плати

2.4 Розробка корпусу

Корпус є важливою складовою будь-якого електронного пристрою,

оскільки забезпечує механічний захист внутрішніх компонентів від впливу

зовнішнього середовища, пилу, вологи та механічних пошкоджень. Окрім

захисної функції, корпус визначає ергономіку, зручність експлуатації, а також

сприяє ефективному розміщенню та охолодженню елементів системи. Якісно

спроєктований корпус дозволяє забезпечити надійність, довговічність і безпеку

роботи пристрою в різних умовах.

Для створення корпусу було застосовано програмний комплекс

SolidWorks[33]. Це CAD-система, яка дозволяє моделювати тривимірні об’єкти,

здійснювати віртуальне компонування всіх деталей, перевіряти їхню взаємодію

та вдосконалювати конструкцію ще до виготовлення прототипу. SolidWorks

забезпечує оперативне внесення змін у проєкт, автоматичне формування

виробничих креслень і виконання базового аналізу міцності, що суттєво

підвищує точність і якість розробки корпусу.

У додатках А, Б, В та Г зображено креслення корпусу, захисної кришки,

захисту екрану та складальне креслення.

2.5 Висновок по розділу 2

В межах розділу виконано побудову структурної схеми, підбір та

обґрунтування елементної бази, створення електричної принципової схеми й

розробку конструкції корпусу пристрою.

На етапі розробки структурної схеми визначено основні функціональні

вузли комплексу та їх взаємозв’язки. Сформовано архітектуру пристрою з

центральним обчислювальним модулем, радіоприймачем, системами навігації,

живлення, інтерфейсами введення-виведення, сенсорним дисплеєм і

підсистемою збереження даних.

Особливу увагу приділено підбору елементної бази, оскільки саме вона

визначає функціональність, енергоефективність, масштабованість і надійність

системи. Зокрема:

 Радіомодуль BladeRF обрано за його широкий частотний діапазон,

підтримку як прийому, так і передачі, відкритість ПЗ та здатність до роботи

в польових умовах.

 Обчислювальний модуль Raspberry Pi Compute Module 5 забезпечує високу

продуктивність, підтримку Linux, модульність та інтеграцію з

різноманітними інтерфейсами, включно з GPIO, HDMI, USB і MIPI.

 GPS-модуль u-blox NEO-M8N надає підтримку кількох GNSS-систем,

високу точність позиціонування та стабільність навіть у складних умовах

прийому.

 SSD-диск M.2 SATA (наприклад, Transcend MTS420S 240GB) обрано для

забезпечення швидкого зберігання ОС, даних спектрального аналізу та

логів.

 Сенсорний дисплей Waveshare 10.1" HDMI забезпечує зручний

багатоточковий інтерфейс користувача, просте підключення та високу

роздільну здатність.

 Модуль живлення на базі 3S Li-Ion батарей із відповідною системою

керування зарядом і захистом забезпечує автономну роботу пристрою в

польових умовах.

 Материнська плата реалізована як багатошарова друкована плата з

розведенням живлення, інтерфейсів та екрануванням, адаптована до

складного середовища експлуатації.

Кожен компонент було обрано на основі порівняльного аналізу варіантів за

технічними характеристиками, вартістю, наявністю підтримки, сумісністю та

придатністю до автономного застосування. Комплекс характеризується

відкритістю, гнучкістю та можливістю оновлення й модернізації.

На основі підібраної елементної бази створено детальну електричну

принципову схему, що відображає логіку роботи та з’єднання всіх модулів

системи. Окремо спроєктовано підсистему живлення, інтерфейси периферійних

пристроїв, а також канали високошвидкісного обміну даними та інтерфейс M.2

для зберігання інформації.

У завершальній частині розділу виконано розробку корпусу пристрою,

який відповідає вимогам до захисту від пилу, вологи, вібрацій та механічних

навантажень. Враховано ергономічні параметри, теплообмін, доступ до портів і

модульність внутрішнього компонування.

Загалом, проведена робота дозволила створити цілісну апаратну

платформу для реалізації функціонального, портативного та енергоефективного

комплексу аналізу радіосигналів з відкритою архітектурою.

РОЗДІЛ 3.

МЕТОДОЛОГІЯ РОБОТИ

У цьому розділі розглядаються основні підходи, інструменти та принципи,

що використовуються при розробці та дослідженні автоматизованої програмно-

керованої варіантної радіосистеми (АПКВАР). Описано вибір апаратних і

програмних засобів, методи збору, обробки та аналізу даних, а також

обґрунтовано застосування сучасних технологій, таких як SDR і алгоритми

штучного інтелекту. Особлива увага приділяється практичним аспектам

реалізації системи, що забезпечують її гнучкість, масштабованість і надійність

у різних умовах експлуатації.

3.1 Загальні принципи роботи SDR

Програмно-визначуване радіо (SDR, Software-Defined Radio) [34] є

новітньою концепцією в галузі радіозв’язку, що дозволяє виконувати більшість

функцій традиційного радіоприймача програмними засобами. Головний

принцип — перетворення аналогового сигналу в цифровий одразу після

приймання та подальшій обробці цього сигналу програмно, що забезпечує

виняткову гнучкість системи.

Сучасні SDR-системи складаються з високошвидкісного аналого-

цифрового перетворювача (АЦП), цифрового сигнального процесора (DSP),

комп’ютера або мікроконтролера та ПЗ обробки сигналів. Це дозволяє

змінювати параметри приймання та обробки сигналу, такі як частота, тип

модуляції, смуга пропускання та інші, без втручання в апаратну частину

системи [35] .

У праці [36] підкреслюється, що одним з головних викликів при реалізації

SDR є необхідність використання надшвидких процесорів, здатних обробляти в

реальному часі великі обсяги цифрової інформації. Також важливу роль

відіграє точність АЦП та вибір аналогового фронтенду — першого каскаду

приймання сигналу.

Апаратні платформи SDR [37]

Найбільш поширеною платформою для побутового та дослідницького

використання є RTL-SDR — недорогий USB-тюнер на базі мікросхеми

RTL2832U. Цей пристрій здатен приймати сигнали в діапазоні від 24 МГц до

1766 МГц. Завдяки відкритим драйверам та підтримці великої кількості

програмного забезпечення (наприклад, SDR# або GQRX), RTL-SDR знайшов

широке застосування у багатьох проєктах.

У дослідженні [38] було описано використання RTL-SDR на вбудованій

Linux-системі для прийому сигналів авіаційної служби спостереження ADS-B.

Автори навели практичні аспекти конфігурації та прийому, що є цінним для

розробників портативних систем спостереження.

Іншою поширеною платформою є HackRF One — одноканальний SDR

трансивер з діапазоном частот від 1-6 гіга герц. Його відкритий дизайн дозволяє

глибоку модифікацію як на рівні прошивки, що робить його привабливим для

науковців і розробників військових рішень.

Техніки приймання слабких сигналів

Однією з переваг SDR є можливість ефективного приймання слабких

сигналів за умов наявності сильних перешкод. У роботі [39] досліджено

використання двоелементного антенного масиву у поєднанні з адаптивними

алгоритмами цифрової обробки сигналів для покращення співвідношення

сигнал/шум. Запропонована система продемонструвала здатність до

просторового фільтрування сигналів та зменшення впливу завад.

Цей підхід особливо актуальний у військових системах зв’язку, де часто

необхідно приймати сигнали зі слабкою потужністю на фоні активного

радіоелектронного протиборства.

SDR як засіб тестування вразливостей

Завдяки широкому діапазону частот та можливості генерувати сигнали,

SDR використовується також для тестування захищеності радіосистем. У статті

[40] представлено реалізацію атаки типу spoofing на GPS-приймач з

використанням SDR-пристрою. За допомогою генерації синтетичних GPS-

сигналів дослідники змогли обдурити навігаційний модуль пристрою Android,

змусивши його визначити фальшиве місцеположення.

Цей приклад показує як SDR може застосовуватись не лише для

приймання сигналів, а й для їх аналізу, генерації та модифікації з метою

підвищення безпеки систем навігації.

Інтеграція SDR з елементами штучного інтелекту

Сучасні дослідження активно впроваджують машинне навчання в SDR-

системи. У публікації [41] описано систему інтелектуального аналізу сигналів,

що здатна автоматично визначати протокол кодування за допомогою ШІ. Для

цього було використано хмарну інфраструктуру Microsoft Azure, що

забезпечило масштабованість та високу продуктивність.

Використання методів штучного інтелекту дає змогу автоматизувати

аналіз спектра радіочастот і виявлення нетипових сигналів, що особливо

важливо для задач радіоелектронної протидії або оперативного моніторингу

ефіру.

Приклад застосування: аналіз Wi-Fi сигналів

Технологія SDR також може використовуватись для вивчення сигналів

побутових бездротових систем. У дослідженні [42] описано методику аналізу

потужності Wi-Fi сигналу при наявності різних фізичних перешкод. Було

встановлено, що тіло людини значною мірою впливає на стабільність

з’єднання, особливо при використанні спрямованих антен.

У статті також було вивчено ефективність односторонньої передачі даних

в умовах обмеженого покриття, що може бути корисним у створенні

енергоефективних мереж для IoT-пристроїв.

Висновки до розділу

SDR є потужним інструментом для побудови гнучких і адаптивних систем

зв’язку. Завдяки програмній реалізації основних функцій приймання та обробки

сигналу, SDR дає можливість створювати пристрої з широким спектром

можливостей: від простого радіоприймача до складної системи аналізу ефіру з

використанням штучного інтелекту. Застосування SDR у військових, наукових

та побутових системах підтверджує його універсальність та перспективність.

3.2 Приймання та обробка радіосигналів за допомогою технології SDR

Загальні принципи роботи SDR

Програмно-визначуване радіо (SDR, Software-Defined Radio) — це

концепція, яка передбачає реалізацію основних функцій радіоапаратури за

допомогою програмного забезпечення. Традиційні радіоприймачі

використовують апаратні фільтри, модулятори та демодулятори. У SDR

більшість цих функцій виконується програмно після оцифрування

можливостями АЦП.

Основні складові SDR-системи.

 Аналоговий фронтенд: приймає сигнал з ефіру і подає його на АЦП.

 АЦП: перетворює аналоговий сигнал у цифрову форму.

 Цифровий сигнальний процесор (DSP) або ЦП/ГП комп’ютера: виконує

фільтрацію, демодуляцію, декодування.

 Програмне забезпечення: забезпечує візуалізацію, обробку та збереження

сигналів.

Програмне забезпечення для обробки SDR-сигналів

Для повноцінної роботи з SDR використовуються різні програми, які

мають широкий функціонал і застосовуються для різних задач: спостереження

за спектром, демодуляції, запису, декодування цифрових протоколів, аналізу

тощо.

SDR#[43] — популярна Windows-програма (рис.3.1) обробки сигналу SDR.

 Спектр та waterfall.

 AM, FM, SSB, CW, WFM, NFM демодуляція.

 Плагіни: декодування AIS, ADS-B, TETRA, DMR тощо.

 Запис сигналів у WAV/IQ форматах.

 Підтримка вбудованих фільтрів, зміщення частоти, автоналаштування.

Рис.3.1 — ПЗ SDR#

GQRX[44] — кросплатформний SDR-інтерфейс (рис.3.2) на базі GNU

Radio для Linux/macOS.

 Графічний інтерфейс з FFT/Waterfall.

 AM/FM/SSB/CW/RAW демодуляція.

 Запис аудіо та IQ-даних.

 Підтримка RTL-SDR, HackRF, USRP, BladeRF, PlutoSDR тощо.

Рис.3.2 — ПЗ GQRX

GNU Radio[45] — фреймворк (рис.3.3) для створення SDR-додатків у

вигляді графічного середовища (GRC) [46] .

 Побудова потоку обробки сигналу з блоків: джерело, фільтр, демодулятор,

декодер.

 Підтримка мови Python для користувацької логіки.

 Застосовується для наукових, військових, комерційних задач.

 Можливість симуляції складних систем (MIMO, фазовий масив, модуляція

QAM, OFDM тощо).

Рис.3.3 — ПЗ GNU Radio

Universal Radio Hacker[47] — інструмент (рис.3.4) для аналізу цифрових

протоколів.

 Захоплення, перегляд, декодування і повторна передача сигналів.

 Аналіз бітових послідовностей, протоколів (манчестер, NRZ, ASK, OOK).

 Підтримка багатьох SDR пристроїв.

Рис.3.4 — ПЗ Universal Radio Hacker

Inspectrum[48] — програма (рис.3.5) для аналізу IQ-сигналів.

 Розширене відображення спектру та фазового простору.

 Можливість розмітки імпульсів і виявлення манчестерського кодування.

 Застосовується для реверс-інжинірингу радіопротоколів.

Рис.3.5 — ПЗ Inspectrum

Для аналізу та обробки демодульованого сигналу у форматі WAV

використовують звукові редактори, наприклад Audacity[51].

Дане програмне забезпечення (рис.3.7) має такі можливості:

1. Розгортка сигналу по часу.

2. Спектральний аналіз.

3. Виділення, вирізання, фільтрація підсигналів.

Рис.3.7 — ПЗ Audacity

Обробка сигналу в SDR-системах відбувається поетапно: спочатку

здійснюється приймання сигналу з ефіру з вибором необхідної частоти та смуги

пропускання, після чого аналоговий сигнал перетворюється в цифровий (IQ-

дані) за допомогою АЦП. Далі проводиться попередня обробка — фільтрація

(наприклад, низькочастотна або смуговопропускна), усунення частотного

зміщення та нормалізація амплітуди. Після цього демодуляція відповідно до

типу сигналу (AM, FM, SSB, FSK, QAM, PSK) для виділення корисної

інформації — аудіо або даних. Після цього дані декодуються: бітові потоки

інтерпретуються у вигляді пакетів чи протоколів, які можуть бути представлені

у текстовому або графічному форматі. Завершальним етапом є аналіз і

зберігання результатів — збереження IQ-даних або аудіо для подальшої

обробки, побудова спектрограм, логів чи діаграм для детального аналізу

сигналів.

Обробка сигналів, отриманих через SDR, є гнучким, адаптивним процесом,

що може бути автоматизований і масштабований. Завдяки розвинутому набору

інструментів, користувач може аналізувати ефір у реальному часі, виявляти

цифрові сигнали, тестувати протоколи, а також здійснювати зворотну

інженерію. SDR — це інструмент не лише для спостереження, а й для

глибокого розуміння принципів роботи сучасних радіосистем.

3.3 Висновок по розділу 3

У цьому розділі було розглянуто ключові методологічні підходи до

розробки та дослідження автоматизованих програмно-керованих варіантних

радіосистем із використанням SDR. Описано апаратні платформи, програмне

забезпечення та сучасні техніки приймання й обробки сигналів, включаючи

інтеграцію алгоритмів штучного інтелекту. Наведені приклади практичного

застосування SDR у різних сферах — від аналізу Wi-Fi до тестування

вразливостей GPS — демонструють універсальність і гнучкість цієї технології.

Використання SDR забезпечує масштабованість, адаптивність і можливість

швидкої модернізації систем зв’язку, що є критично важливим для сучасних

наукових, військових та побутових задач. Таким чином, SDR виступає

фундаментальним інструментом для побудови інноваційних радіосистем

нового покоління.

РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИПРОБУВАННЯ

У цьому розділі представлено практичні випробування, проведені з метою

перевірки працездатності та ефективності використання програмно-

визначеного радіо (SDR) для прийому та обробки радіосигналів у реальних

умовах. Основна увага зосереджена на експериментах, які демонструють

можливості сучасних SDR-приймачів і програмних засобів прийому та обробки

аналогових і супутникових сигналів.

Використання гнучких програмно-апаратних платформ дає змогу

реалізовувати прийом, фільтрацію, демодуляцію та збереження сигналів без

потреби у складному радіоелектронному обладнанні. Такий підхід відкриває

нові перспективи для навчання, досліджень і прикладних завдань, пов’язаних з

аналізом радіочастотного спектра.

У рамках випробувань було реалізовано два експерименти: прийом

аналогового сигналу за допомогою портативної рації та SDR-приймача, а також

дистанційний прийом супутникового зображення за допомогою онлайн-сервісу

WebSDR. Обидва сценарії показують, як за допомогою доступних інструментів

можна реалізувати повноцінну систему радіоприйому, обробки та візуалізації

сигналу.

4.1 Прийом аналогового радіосигналу за допомогою портативної рації та

SDR-приймача

Мета роботи: Дослідити процес прийому та обробки аналогового

радіосигналу за допомогою SDR-приймача BladeRF і програмного забезпечення

GNU Radio, перевірити можливість його демодуляції, виводу на аудіосистему

та запису у файл.

Теоретичні відомості

SDR — це радіоприймач, у якому більшість функцій (демодуляція,

фільтрація, декодування) реалізовано програмно. Це дозволяє змінювати

параметри прийому та обробки сигналу без зміни апаратного забезпечення.

Частотна модуляція (Frequency Modulation, FM) використовується для

передавання звукових сигналів, при якій частота несучої хвилі змінюється

пропорційно амплітуді вхідного сигналу. FM має високу стійкість до шумів,

тому широко застосовується в аналоговому радіомовленні.

GNU Radio — програмне середовище для створення радіосистем на базі

SDR. Працює з різними апаратними пристроями, зокрема BladeRF, і дозволяє

створювати блок-схеми обробки сигналу.

Ми використовували портативну рацію Baofeng (зображену на рисунку

4.1) як джерело сигналу для експерименту. Основні технічні характеристики

цієї рації такі: вона працює у діапазонах VHF (136–174 МГц) та UHF (400–520

МГц), забезпечує вихідну потужність від 1 до 8 Вт, використовує частотну

модуляцію (FM) і дозволяє програмувати до 200 каналів. Також пристрій

підтримує двоканальний моніторинг (Dual Watch), має функцію VOX для

активації передавання голосом і оснащений системою шумоподавлення на

основі CTCSS/DCS.

Використане обладнання та програмне забезпечення

1. Джерело сигналу: портативна рація Baofeng

2. Приймач: SDR-пристрій BladeRF

3. Програмне забезпечення: GNU Radio

Рис.4.1 — Рація Baofeng

Умови експерименту:

1. Частота прийому: 446.13 МГц

2. Частота дискретизації: задана у GNU Radio

3. Посилення: мінімальне (–1)

4. Вхідний блок: Osmocom Source (налаштований для BladeRF)

Блок-схема системи обробки сигналу (рис.4.2.)

Рис.4.2 — Структура цифрової обробки для графічного відображення

На рисунках 4.3 та 4.4 зображені попередні налаштування.

Рис.4.3 — Параметри захоплення сигналу: частота, підсилення, ширина

смуги пропускання

Рис.4.4 — Параметри графічного відображення

На рисунках 4.5, 4.6 та 4.7 зображене графічне відображення прийнятого

сигналу.

Рис.4.5 — Спектр частот прийнятого сигналу

Рис.4.6 — Динамічне водоспадне відображення прийнятого сигналу

Рис.4.7 — Амплітудне відображення прийнятого сигналу

У процесі експерименту ми реалізували виведення сигналу на

аудіосистему комп’ютера. Для цього до блок-схеми (рисунок 4.9) було додано

фільтр низьких частот із частотою зрізу 50 кГц і перехідною зоною 3 кГц, блок

демодуляції WBFM Receive із налаштуванням частоти дискретизації відповідно

до потоку та параметром Audio Decimation, а також блок Audio Sink із частотою

дискретизації 48000 Гц. Така конфігурація (зображена на рисунках 4.9, 4.10 та

4.11) дала змогу якісно відтворити демодульований аудіосигнал у реальному

часі.

Рис.4.8 — Структура цифрової обробки для аудіовиходу

Рис.4.9 — Налаштування фільтра низьких частот

Рис.4.10 — Налаштування FM демодулятора

Рис.4.11 — Налаштування аудіовиходу

Запис сигналу у WAV-файл ми здійснили шляхом заміни блоку Audio Sink

на WAV File Sink у схемі обробки, зображеній на рисунку 4.12. Для цього

встановили частоту дискретизації 48000 Гц, обрали монофонічний режим (1

канал) та формат WAV (рис. 4.12). Такий підхід дозволив нам зберегти

демодульований аудіосигнал у зручному для подальшого аналізу та

прослуховування вигляді.

Рис.4.12 — Структура цифрової обробки для запису

Рис.4.12 — Налаштування блоку запису

Висновки

У результаті виконання експерименту ми реалізували прийом аналогового

FM-сигналу за допомогою SDR-приймача BladeRF, провели спектральний

аналіз сигналу та його графічне відображення, демодулювали і вивели

аудіосигнал на звукову підсистему комп’ютера, а також виконали запис

сигналу у файл формату WAV.

Отримані результати підтверджують функціональність та ефективність

використання SDR-технологій у задачах аналізу аналогових радіосигналів, а

також демонструють широкі можливості GNU Radio як програмної платформи

для цифрової обробки сигналів.

4.2 Прийом супутникових зображень

Мета роботи: Отримати супутникові зображення шляхом дистанційного

прийому сигналів з метеорологічних супутників NOAA за допомогою WebSDR

та ПЗ демодуляції.

Використане обладнання та програмне забезпечення

Обладнання:

WebSDR[52]: онлайн-приймач (рис.4.13), який дозволяє приймати сигнали

метеорологічних супутників. Обрано WebSDR з антеною Double Cross,

зображеною на рисунку 4.14 з круговою поляризацією для покращення якості

прийому.

Рис.4.13 — WebSDR ресурс онлайн SDR

Рис.4.14 — Антена Double Cross

Програмне забезпечення:

1. SDR# (SDRSharp): використовується для обробки аудіофайлу та його

конвертації.

2. LRPTDecoder[53]: декодує супутникові зображення з сигналу.

3. Orbitron / Gpredict: для прогнозування проходження супутників над

місцем прийому.

4. VB-Cable[54]: віртуальний аудіокабель для перенаправлення аудіо з

браузера до інших програм.

5. Супутники:

6. NOAA 15, 18, 19[55]: метеорологічні супутники, зображені на рисунку

4.15, з аналоговою та цифровою передачею даних.

Рис.4.15 — Супутник NOAA

Хід експерименту

Підключення до WebSDR та захоплення сигналу

Відповідний WebSDR з прийомом у діапазоні 137 МГц знайдено через

пошук за запитами “WebSDR NOAA Meteor”. За допомогою Orbitron введено

координати для NOAA-15/18/19. Програма (рис.4.16), показує точний час

проходження супутника.

Рис.4.16 — Orbitron - ПЗ відстеження супутників

Ми налаштували WebSDR, заздалегідь встановивши частоту 137.9125 МГц

та режим NFM для прийому сигналу NOAA. Для супутників Meteor (наприклад,

M2) обрали режим WFM або IQ-запис, якщо це підтримується сервісом. Під час

проходження супутника здійснили запис сигналу: або через вбудовану функцію

WebSDR (за наявності), або за допомогою VB-Cable, перенаправивши аудіо з

браузера до програми Audacity для подальшої обробки. Після цього

завантажили отриманий файл у LRPTDecoder, де запустили процес

демодуляції(рис.4.17). Програма обробила сигнал і сформувала супутникове

зображення, зображене на рисунку 4.18.

Рис.4.17 — Декодований сигнал у LRPTDecoder

Рис.4.18 — Результат декодування в RGB

Висновки

У результаті експерименту ми успішно підключилися до WebSDR,

прийняли супутниковий сигнал, здійснили його запис у форматі, придатному

для подальшої обробки, а також декодували супутникове зображення за

допомогою LRPTDecoder.

Експеримент підтвердив можливість дистанційного прийому

супутникових зображень без необхідності фізичного SDR-приймача. Інтеграція

WebSDR з програмними інструментами для декодування дозволяє навіть

аматорам ефективно працювати з даними метеорологічних супутників. Це

відкриває широкі можливості для досліджень у сфері супутникової

метеорології та радіозв’язку.

4.3 Висновок по розділу 4

У цьому розділі було розглянуто практичні аспекти роботи з SDR (Software

Defined Radio) для прийому та обробки аналогових і супутникових

радіосигналів. Проведені експерименти показали, що SDR-платформи

забезпечують гнучкість, універсальність і доступність для дослідників та

аматорів. Використання сучасного програмного забезпечення дозволяє не лише

приймати сигнали, а й виконувати їхню демодуляцію, декодування та подальшу

обробку. Таким чином, SDR-технології відкривають широкі можливості для

експериментів у сфері радіозв’язку, навчання та досліджень, а також сприяють

популяризації радіоелектроніки серед широкого кола користувачів.

ВИСНОВОК

Результатом виконання став повноцінний цикл розробки автоматизованого

портативного комплексу для виявлення та аналізу радіосигналів, призначеного

для використання у важкодоступних або екстремальних умовах. Сучасні

виклики в сфері мобільних технологій, інформаційної безпеки та автономної

роботи систем зумовили потребу у створенні саме такого рішення, яке б

об’єднувало функціональність, компактність, енергоефективність та

відкритість.

У межах дослідження проведено глибокий аналітичний огляд сучасних

SDR-пристроїв, що показав широкий спектр доступних інструментів для

прийому й аналізу сигналів у радіочастотному широкому діапазоні.

Проаналізовані моделі HackRF One PortaPack H4, LibreSDR Pluto, Amator SDR,

DSP SDR, Malahit SDR та інші підтвердили тенденцію до мініатюризації,

розширення функціоналу, збільшення частотного діапазону та використання

відкритого програмного забезпечення.

Було сформовано вимоги до майбутнього пристрою, зокрема:

 робота в широкому частотному діапазоні (47 МГц – 6 ГГц),

 наявність GPS-модуля для геоприв’язки та синхронізації,

 сенсорного дисплея для взаємодії з користувачем,

 компактного накопичувача для збереження даних,

 можливості бездротової комунікації (Wi-Fi, Bluetooth),

 енергонезалежної роботи завдяки потужному акумулятору,

 відкритості як апаратної, так і програмної частини.

У межах інженерної частини було виконано:

 розробку структурної та принципової електричної схем пристрою;

 підбір оптимальної елементної бази, що включає Raspberry Pi Compute

Module 5 як обчислювальне ядро, BladeRF micro xA4 як SDR-приймач,

GPS-модуль NEO-6M, SSD-накопичувач MTS420S, Li-Pol 1260110

акумуляторну систему живлення та екран IBM Wacom LCD;

 створення 3D-моделі корпусу, адаптованого до розміщення обраних

компонентів та роботи в польових умовах.

Застосований підхід до відкритої архітектури дозволяє гнучко адаптувати

комплекс до конкретних вимог замовника або сценаріїв використання. Це

забезпечує не лише прозорість роботи системи, а й можливість незалежного

аудиту безпеки, адаптації ПЗ під специфічні протоколи або навіть модернізації

апаратної частини.

Важливою перевагою є автономність пристрою — завдяки оптимізованому

енергоспоживанню, компактній конструкції та можливості заряджання в

польових умовах (зокрема від автомобільної мережі 12/24 В), пристрій здатен

ефективно працювати без стаціонарної інфраструктури тривалий час.

Таким чином, в результаті дипломної роботи було створено інженерну

структуру і обґрунтовану конфігурацію мобільного обчислювального

комплексу, здатного ефективно здійснювати виявлення, прийом та передачу,

аналіз і запис радіосигналів. Такий комплекс має потенціал для подальшого

розгортання як у сфері військового зв’язку та розвідки, так і в цивільних

додатках: моніторинг бездротових мереж, наукові дослідження.

У перспективі подальший розвиток комплексу може включати:

 реалізацію модуля захоплення відео з аналогових джерел;

 впровадження алгоритмів машинного навчання для автоматичної

класифікації сигналів;

 інтеграцію з дронами або іншими мобільними платформами;

 вдосконалення корпусу з урахуванням захисту від вологи, пилу та

механічного впливу (IP65 і вище);

 створення модульної версії з можливістю швидкої заміни або розширення

функціональності.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

[1] ULVERSOY, Tore. Software defined radio: Challenges and opportunities.

IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2010, 12.4: 531-550.

[2] HackRF One, [Електронний ресурс] URL:

https://fd24.com.ua/ua/p1044872164-sdr-radiostantsiya-antennami.html (дата

звернення: 10.05.2024)

[3] LibreSDR, [Електронний ресурс] URL:

https://fd24.com.ua/ua/p2465955107-sdr-radiostantsiya-antennami.html (дата

звернення: 10.05.2024)

[4] Приймач 1.10D DSP SDR, [Електронний ресурс] URL:

https://www.joom.com/uk/products/67b2acd0683d8101ba932088?

variant_id=67b2acd0683d815eba93208a (дата звернення: 10.05.2024)

[5] Радіостанція Amator SDR 1 МГц - 6 ГГц., [Електронний ресурс] URL:

https://www.joom.com/uk/products/67ea3b1a35422d011b0f5a93?

variant_id=67ea3b1a35422dbc1b0f5a95 (дата звернення: 10.05.2024)

[6] Malahit-DSP2 SDR, [Електронний ресурс] URL:

https://www.joom.com/uk/products/67399c645aa1e901d90ed87c?

variant_id=67399c645aa1e9c2d90ed87e (дата звернення: 10.05.2024)

[7] Kenwood. Communications Equipment Catalog and Engineering Guide.

Kenwood Corporation. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

https://www.kenwood.com/usa/com/

[8] Види антен, [Електронний ресурс] URL: https://sprotyvg7.com.ua/wp-

content/uploads/2023/05/Osnovni-harakterystyky-anten_ukr.pdf (дата звернення:

10.05.2024)

[9] HackRF-One, [Електронний ресурс] URL:

https://github.com/dodgymike/hackrf-wiki/blob/master/HackRF-One.md (дата

звернення: 10.05.2024)

[10] RTL-SDR, [Електронний ресурс] URL: https://www.rtl-sdr.com/buy-rtl-

sdr-dvb-t-dongles/ (дата звернення: 10.05.2024)

[11] LimeSDR Mini, [Електронний ресурс] URL:

https://limemicro.com/products/boards/limesdr-mini/ (дата звернення: 10.05.2024)

[12] ADALM-Pluto (PlutoSDR), [Електронний ресурс] URL:

https://wiki.analog.com/university/tools/pluto (дата звернення: 10.05.2024)

[13] BladeRF, [Електронний ресурс] URL: https://selteq.com.ua/ru/bladerf-2-

0/ (дата звернення: 10.05.2024)

[14] Raspberry Pi Compute Module 5 (CM5), [Електронний ресурс] URL:

https://www.raspberrypi.com/products/compute-module-5 (дата звернення:

10.05.2024)

[15] NVIDIA Jetson Nano, [Електронний ресурс] URL:

https://developer.nvidia.com/embedded/jetson-nano (дата звернення: 10.05.2024)

[16] Radxa CM3, [Електронний ресурс] URL: https://wiki.radxa.com/CM3

(дата звернення: 10.05.2024)

[17] Banana Pi BPI-CM4, [Електронний ресурс] URL: https://wiki.banana-

pi.org/Banana_Pi_BPI-CM4 (дата звернення: 10.05.2024)

[18] Digitnow USB 2.0 Video Capture Card, [Електронний ресурс] URL:

https://www.amazon.com/Digitnow-Video-Capture-Converter-VHS/dp/B01HEQZ66

U (дата звернення: 10.05.2024)

[19] August VGB100 USB Video Capture Stick, [Електронний ресурс] URL:

https://www.augustint.com/uk/productmsg-103-0.html (дата звернення: 10.05.2024)

[20] GPS модуль u-blox NEO-6M, [Електронний ресурс] URL:

https://uamper.com/products/datasheet/NEO-6.pdf (дата звернення: 10.05.2024)

[21] SSD MTS420S MTS420S 240GB M.2 2242 SATAIII 3D NAND TLC,

[Електронний ресурс] URL: https://hard.rozetka.com.ua/ua/transcend-

ts240gmts420s/p436737317/ (дата звернення: 10.05.2024)

[22] BM Lenovo Wacom 12.1in XGA LCD Touch Screen, [Електронний

ресурс] URL: https://www.alancomputech.com/ibm-lenovo-wacom-12-1in-xga-lcd-

touch-screen-13n7241-laptop-su5r-12s05as-02x-13n7241.html (дата звернення:

10.05.2024)

[23] Waveshare 10.1" HDMI LCD with Capacitive Touch, [Електронний

ресурс] URL: https://www.waveshare.com/10.1inch-hdmi-lcd.htm (дата звернення:

10.05.2024)

[24] Official Raspberry Pi Touchscreen Display, [Електронний ресурс] URL:

https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-touch-display/ (дата звернення:

10.05.2024)

[25] BOE 10.1" MIPI DSI IPS LCD Touch Screen, [Електронний ресурс]

URL: https://www.panelook.com/TV101WXM-

NH0_BOE_10.1_LCM_overview_26806.html (дата звернення: 10.05.2024)

[26] Літій-залізо-фосфатні (LiFePO4), [Електронний ресурс] URL:

https://deps.ua/ua/katalog/accumulators-batteries.html?f=l1928 (дата звернення:

10.05.2024)

[27] Акумулятор літій-полімерний 10000 mAh, 3.7v, 1260110,

[Електронний ресурс] URL: https://alphapower.com.ua/ua/p1184584341-

akkumulyator-litij-polimernyj.html (дата звернення: 10.05.2024)

[28] Compute Module 5 IO Board, [Електронний ресурс] URL:

https://www.raspberrypi.com/products/compute-module-4-io-board/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[29] Waveshare CM4 IO Base Board B, [Електронний ресурс] URL:

https://www.waveshare.com/cm4-io-base-b.htm (дата звернення: 10.05.2024)

[30] Seeed Studio reComputer CM4 IO Board, [Електронний ресурс] URL:

https://www.seeedstudio.com/reComputer-IO-Board-p-5279.html (дата звернення:

10.05.2024)

[31] DFRobot Raspberry Pi CM4 IoT Router Carrier Board Mini,

[Електронний ресурс] URL: https://www.dfrobot.com/product-2590.html (дата

звернення: 10.05.2024)

[32] Analog Devices. Software-Defined Radio Handbook. [Електронний

ресурс]. – Analog Devices, Inc. – Режим доступу:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/handbooks/

SDR_Handbook.pdf

[33] SolidWorks, [Електронний ресурс] URL: https://www.solidworks.com/

(дата звернення: 10.05.2024)

[34] Tranter, W. H., Reed, J. H., Fette, B. A. Software Defined Radio: Enabling

Technologies. Hoboken : Wiley-Interscience, 2008. 416 p.

[35] Couch, L. W. Digital and Analog Communication Systems. 8th ed. Boston :

Pearson, 2013. 736 p.

[36] Mahmoud S. A., Ismail A. A., Elhoseny M. et al. Software defined radio:

operation, challenges and possible solutions [Електронний ресурс] // International

Journal of Communication Networks and Information Security. — 2016. — Т. 8, №

3. — Режим доступу: https://www.researchgate.net/publication/309777143

[37] Mitola, J. Software Radios: Architecture, Systems and Functions. New

York : Wiley, 2000. 576 p.

[38] Khan S., Anjum M., Masood A. Receiving ADS-B Signals on Embedded

Linux using RTL-SDR: A Practical Guide [Електронний ресурс] // Frontiers in

Computer and Information Science. — 2022. — Т. 2, № 2. — Режим доступу:

https://drpress.org/ojs/index.php/fcis/article/view/14059

[39] McFarlin D. Weak Signal Reception Using Software Defined Radios and a

Two-Element Antenna Array [Електронний ресурс] : дис. … M.Sc. — Auburn

University, 2009. — Режим доступу:

https://holocron.lib.auburn.edu/handle/10415/613

[40] Zhang Y., Zhao J., Zhang W. GPS Signal Reception and Spoofing Based on

Software-Defined Radio Devices // ResearchGate. — 2023. Vol. 10, No. 7. — DOI:

https://10.1109/RIVF55975.2022.10013839

[41] Mihai C., Gontean A., Rusu C. Signals Intelligence System with Software-

Defined Radio // Applied Sciences. — 2023. — Vol. 13, No. 8. — DOI:

https://doi.org/10.3390/app13085199

[42] Kumar R., Prasad M. Analysis of Wi-Fi Signal Transmission and Reception

Using Software-Defined Radio [Електронний ресурс] // International Journal of

Multidisciplinary Research. — 2022. — Режим доступу:

https://www.multiresearchjournal.com/admin/uploads/archives/archive-

1743160648.pdf

[43] SDR#, [Електронний ресурс] URL: https://airspy.com/download/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[44] GQRX, [Електронний ресурс] URL: https://www.gqrx.dk/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[45] GNU Radio, [Електронний ресурс] URL: https://www.gnuradio.org/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[46] Blossom, E. GNU Radio: Tools for Exploring the Radio Frequency

Spectrum. // Linux Journal. – 2004. – Vol. 2004, No. 122. – [Електронний ресурс].

– Режим доступу: https://www.linuxjournal.com/article/7505

[47] Universal Radio Hacker, [Електронний ресурс] URL:

https://github.com/jopohl/urh (дата звернення: 10.05.2024)

[48] Inspectrum, [Електронний ресурс] URL:

https://github.com/miek/inspectrum (дата звернення: 10.05.2024)

[49] SDR++, [Електронний ресурс] URL:

https://github.com/AlexandreRouma/SDRPlusPlus (дата звернення: 10.05.2024)

[50] SigDigger, [Електронний ресурс] URL:

https://batchdrake.github.io/SigDigger/ (дата звернення: 10.05.2024)

[51] Audacity, [Електронний ресурс] URL: https://www.audacityteam.org/

(дата звернення: 10.05.2024)

[52] WebSDR, [Електронний ресурс] URL: http://websdr.org/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[53] LRPTDecoder, [Електронний ресурс] URL:

https://www.rtl-sdr.com/m2_lrpt_decoder-version-59-released/ (дата звернення:

10.05.2024)

[54] VB-Cable, [Електронний ресурс] URL: https://vb-audio.com/Cable/ (дата

звернення: 10.05.2024)

[55] NOAA 15, 18, 19, [Електронний ресурс] URL:

https://uk.wikipedia.org/wiki/NOAA-19 (дата звернення: 10.05.2024)

[56] Архів проєкту КПК, [Електронний ресурс] URL:

https://github.com/Bogd-an/Diplom (дата звернення: 10.05.2024)

ДОДАТОК А

Збірне креслення

ДОДАТОК Б

Захист екрану

ДОДАТОК В

Захисна кришка

ДОДАТОК Г

Бокс

ДОДАТОК Ґ

Специфікація

ДОДАТОК Д

Електрична принципова схема

ДОДАТОК Е

Материнська плата

ДОДАТОК Є

Експерименти